S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 1

Les filières nucléaires du

futur

Sylvain DAVIDCNRS/IN2P3Institut de Physique Nucléaire d’Orsay, Francesdavid@ipno.in2p3.fr

- Introduction- Potentiel des réacteurs standards- Les surgénérateurs principe de base les concepts « Géneration 4 »- Conclusions

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De forts besoins en sources d’énergie qui n’émettent pas de CO2 Le nucléaire aide déjà à émettre moins de CO2

Energie nucléaire et émission de CO2

Emission maximale de CO2 par habitant pour stabiliser le climat à T=+2°C

Tons of Carbon / capita / year

Ref: J.-M. Jancovici, www.manicore.com

-40% d’émission de CO2 pour la France (75% d’électricité nucléaire) par rapport à l’Allemagne (30% d’électricité nucléaire)

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Ex: scenario TotalFinaElf, nuclear power 20% in 2050 (x8)

Réserves limitées de combustibles fossiles

0

1

2

3

4

5

6

7

1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060

Scénario Total Fina Elf avec E (2050) = 2.5 E(2000)

NucléaireGaz naturelPétroleHydrauliqueCharbonRenouvelables (sauf hydraulique)

années

Nuclear

Oil

Gas

Coal

Gto

e/y

2000 2050

HydroRenewable

Ref: P.-R. Bauquis, TotalFinaElf

Nuclear power

ElectricityHeatHydrogenDesalinated water…

Réserves limitées de combustibles fossiles

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- Le nucléaire peut être amené à jouer un rôle important dans le futur

- Selon les hypothèses d’un scénario (économie, déchets, inventaire fissile, prolifération, etc…), le déploiement du nucléaire ne se fera pas avec les mêmes technologies

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Th-232100%

U-2340

U-23899.3%

U-2350.7%

Z

N

Noyau fissile

Uranium Z=92

Thorium Z=90

U naturel0.7% of 235U

U enrichi3.5% of 235U

3 ans en REP

U appauvri : 0.25 % d’235U

Réacteurs standard(type REP)

Réacteurs standard

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/(GWe.an)

fissionné 1 t

enrichi 30 t

naturel 200 t

Consommation d’Uranium

La consommation d’Uranium peut être réduite dans les réacteurs standards sans modification majeure - réduction des rejets d’235U dans l’Uran ium appauvri - augmentation du burn-up - retraitement et ré-enrichissement de l’uranium irradié

La consommation minimale d’Uranium est de l’ordre de 100t/GWe.an

Réacteurs standard

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Réserves d’Uranium

millions of tons

Réserves prouvées

< 80$/kg 2.5

< 130$/kg 4.4

Ressources ultimes estimées

AIEA 16

Extrapolation linéaire « reserves vs. prix » à 400$/kg (ref JF. Luciani, CEA)

23

Si on se base uniquement sur des critères éeconomiques » :Limite 400$/kg : les réacteurs à neutrons rapides deviennent compétitifs économiquement face aux REP

Réacteurs standard

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Réacteurs standard

- Les réacteurs standards ne sont pas durables si le nucléaire se développe massivement dans ce siècle- Dans ce cas, la transition vers des réacteurs surgénérateurs devient indispensable avant la fin du siècle- Si on prend en compte d’autres arguments (déchets, prolifération, etc…) les surgénérateurs peuvent être déployées plus tôt

Production nucléaire mondiale 285 GWe (équivalent pleine puissance)

Consommation mondiale d’U nat 60000 t/an

Réserves U (RRA+RSE+spéculatives) 16-23 millions of tons

Potentiel de production

- au taux actuel (et utilisation actuelle de U) 280 – 400 years

- scénario « nucléaire x 10 » et optimisation de l’utilisation de l’U nat en REP

50 – 80 years

Potentiel des filières standards

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Nucléaire durable : principe de la régénération

Principe de la régénérationRégénération = produire un noyau fissile par capture neutronique sur un noyau fertile

Cycle Uranium 238U + n 239U 239Np (2j) 239Pu

Cycle Thorium 232Th + n 233Th 233Pa (27j) 233UNoyaux fissiles

Noyaux fertiles

- 2 noyaux fertiles naturels: 238U et 232Th

- La régénération permet de résoudre le problème des réserves pendant des millénaires (potentiel minerai uranium x 200 + thorium)

- Un réacteur de 1GWe régénérateur consomme 1 t/an de minerai, contre 200 t/an actuellement

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Nucléaire durable : régénération

La régénération a besoin de neutronsCycle U/Pu en spectre thermique: 3 neutrons produits par fission 1 produit un nouvelle fission Pu

0.6 captués sur le Pu 1.6 capturés sur 238U pour régénérer le

Pu TOTAL 3.2 < 3 régénération impossible Cycle U/Pu en spectre rapide: 3 neutrons produits par fission 1 produit un nouvelle fission Pu

0.3 captués sur le Pu 1.3 capturés sur 238U pour régénérer

le Pu TOTAL 2.6 < 3 régénération possible Cycle Th/U en spectre thermique: 2.5 neutrons produits par fission 1 produit un nouvelle fission Pu

0.1 captués sur le Pu 1.1 capturés sur 238U pour régénérer

le Pu TOTAL 2.2 < 2.5 régénération possible

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- Un réacteur régénérateur a besoin de matière fissile pour démarrer

- Une fois démarré il ne consomme plus que du minerai fertile

- Inventaire en matière fissile

Cycle Uranium

Réacteurs à neutrons rapides

>12 t de Pu / réacteur de 1 GWe

Cycle Thorium

Réacteurs à neutrons thermiques

<2 t de 233U / réacteur de 1 GWe

Nucléaire durable : régénération

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Cycle régénérateur Uranium / Plutonium

Régénération possible avec des neutrons de haute énergie Réacteurs à neutrons rapides (RNR)

L’eau ralentirait les neutrons, il faut donc un autre fluide pour extraire la chaleur du cœur : Sodium (Superphénix), Plomb, ou gaz (hélium)

Na

Technologie « disponible », mais qui restera complexe

Pb

Pb : corrosion des matériaux de structure

He

Beaucoup de R&D !Combustible innovant à trouver

Nucléaire durable : les réacteurs rapides

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- On peut démarrer un parc de réacteurs régénérateurs U/Pu rapides, seulement après 50 ans d’un parc de réacteurs standards de type REP

- Transition lente, qui ne peut être terminée avant la fin du siècle

- Il faudra garder le plutonium pendant plusieurs dizaines d’années

Un REP produit en 50 ans

Inventaire initiald’un RNR Sodium

12 t de Pu

- Les réacteurs à neutrons rapides ont besoin de plutonium pour démarrer

- Si le nucléaire se développe, le plutonium est donc une matière fissile très précieuse, car les RNR U/Pu ont besoin de beaucoup de plutonium

Nucléaire durable : les réacteurs rapides

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• PWRs dominate up to 2070

Transition towards FBR U/Pu reactorsScenario Characteristics:

• Consumed Natural Uranium: 15Mtons in 2100

• Pu in Cycle: ~ 45 ktons

• Significant Production of Minor Actinides (Am, Cm, …)

Nucléaire durable : les réacteurs rapides

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Le 6ème concept «Gen 4» est le réacteur à sels fondusQui permet d’utiliser le cycle thorium régénérateur en spectre thermique

- sels fluorures- combustible = caloporteur- Retraitement en ligne- Pas de risque de fusion du coeur

R&D- Corrosion - Procédés chimiques

Nucléaire durable : le cycle thorium en sels fondus

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1975 2000 2025 2050 2100

Stock Pu actuel230 t

Inventaire Pu nécessaire pour un parc de 60GWe en RNR750 t

2080

La transition vers une filière à neutrons rapides nécessite de stocker de la matière fissile pendant des dizaines d’années

100 tInventaire fissile (233U) pour la filière thorium

Scénarios de transitionÉtudes CNRS

Application au cas français

Nucléaire durable : application “parc français”

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Mine REP

Mine Th

Recyclage des actinides mineurs

Noyaux lourdsTh, U, Pu, Am, Cm, …

Gen 4Minerai U, Th

déchets:- produits de fission- 0.1% U, Pu- 0.1% Np, Am, Cm

Nucléaire durable : radiotoxicités induites

FBRU/Pu

MSRTh/U

U 4kg < 1 g

Pu 600 g 20 g

Am 200 g 1.3 g

Cm 50 g 5 g

Wastes /GWe/y.

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- Les réacteurs surgénérateurs de génération 4 se justifieront économiquement quand le prix de l’uranium aura atteint environ 400 $/kg

- Cette limite peut être atteinte vers le milieu de ce siècle si le nucléaire est multiplié par ≈10 d’ici là

- Les surgénérateurs sont « durables » sur des millénaires et deux filières sont possible

La filière à neutrons rapides Uranium-PlutoniumLa filière thorium « plus innovante » en réacteurs à sels

fondus

- D’un point de vue des déchets et gestion des matières fissiles, les surgénérateurs sont « meilleurs », ce qui pourrait « accélérer leur déploiement

Conclusion

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- Une transition vers une filière à neutrons rapides « oblige » à garder et accumuler une grande masse de plutonium avant même de savoir à quelle date il sera utilisé

- Une transition vers le cycle thorium permettrait mettre en place dès aujourd’hui une politique de diminution des stocks de plutonium (qui domine la radiotoxicité des combustibles usés) tout en démarrant des réacteurs « durables » dès 2040

- Si ces réacteurs durables ne se justifient pas rapidement, la matière fissile est stabilisée et plus facile à gérer (uranium au lieu de plutonium)

- Cela signifie également que l’on pourrait rapidement envisager de retraiter les MOX, ce qui permet d’envisager d’incinérer les déchets (Américium et Curium) qui s’y trouvent

Conclusion

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